4集成化电容式压力传感器
电容式传感器的工作原理和结构课件
提高传感器的精度和稳定性是当 前面临的主要技术挑战，通过材 料创新、工艺优化等手段可有效
解决。
交叉敏感问题
对于多参数测量，电容式传感器可 能存在交叉敏感问题，采用特殊的 结构设计或信号处理方法可降低交 叉敏感的影响。
温度影响
温度变化对电容式传感器的性能产 生影响，通过温度补偿技术可有效 减小温度对传感器的影响。
温度稳定性是衡量传感器可靠性和稳定性的重要指标。
频率响应
频率响应是指传感器对不同频率输入信号的响应能力。 高频率响应的传感器能够快速响应高频信号，适用于快速变化的测量场合。
频率响应与传感器结构、材料、工艺等因素有关。
04
电容式传感器的优缺点
优点
高灵敏度
电容式传感器具有较高的灵敏度，能 够检测微小的变化，因此适用于精确 测量和检测。
灵敏度
01
灵敏度是指电容式传感器在单位输入变化量下 输出的电容变化量。
02
灵敏度反映了传感器对输入变化的响应程度， 灵敏度越高，输出信号越大，测量精度越高。
03
灵敏度受传感器结构、材料、工艺等因素影响 。
线性范围
01
线性范围是指传感器输 出电容变化量与输入变 化量保持线性关系的范
围。
02
在线性范围内，传感器 输出信号与输入信号成 正比，便于测量和数据
信号处理单元的性能直接影响 传感器的输出质量和应用范围 。
防护外壳
防护外壳用于保护传感器内部元 件免受外部环境的影响，如温度
、湿度、尘埃和机械冲击等。
它通常由金属、塑料或陶瓷等材 料制成，具有良好的密封性和稳
定性。
防护外壳的设计和制造质量对传 感器的长期稳定性和可靠性有重
压力传感器分类有哪些
压力传感器分类有哪些能够测量压力并提供远传电信号的装置统称为压力传感器。
压力传感器是压力检测仪表的重要组成部分，其结构型式多种多样，常见的型式有应变式、压阻式、电容式、压电式、振频式压力传感器等。
此外还有光电式、光纤式、超声式压力传感器等。
采用压力传感器可以直接将被测压力变换成各种形式的电信号，便于满足自动化系统集中检测与控制的要求，因而在工业生产中得到广泛应用。
南京航伽电子科技有限公司下面给大家介绍一下压力传感器的分类。
应变式压力传感器应变式压力传感器是一种通过测量各种弹性元件的应变来间接测量压力的传感器。
根据制作材料的不同，应变元件可以分为金属和半导体两大类。
应变元件的工作原理基于导体和半导体的“应变效应”，即当导体和半导体材料发生机械变形时，其电阻值将发生变化。
当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。
当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。
只要测出加在电阻两端的电压的变化，即可获得应变金属丝的应变情况。
压阻式压力传感器压阻压力传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。
单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。
它又称为扩散硅压阻压力传感器，它不同于粘贴式应变计需通过弹性敏感元件间接感受外力，而是直接通过硅膜片感受被测压力的。
电容式压力传感器电容式压力传感器是一种利用电容作为敏感元件，将被测压力转换成电容值改变的压力传感器。
这种压力传感器一般采用圆形金属薄膜或镀金属薄膜作为电容器的一个电极，当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号。
电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可分为单电容式压力传感器和差动电容式压力传感器。
压力传感器的种类繁多,其性能也有较大的差异,如何选择较为适用的传感器,做到经济、合理。
电容式压力传感器
电容式压力传感器首先，我们来了解一下电容式压力传感器的工作原理。
电容式压力传感器通常由两个金属电极和一个介质组成。
当介质受到压力作用时，介质的形变会导致电容的变化，进而改变传感器的输出信号。
通过测量电容的变化，就可以得到介质受到的压力大小。
这种测量原理使得电容式压力传感器具有了很高的灵敏度和精度，能够满足对压力测量的精确要求。
其次，电容式压力传感器具有很高的响应速度。
由于电容的变化是瞬时的，因此传感器对压力的变化能够迅速做出响应，这使得电容式压力传感器在需要快速测量压力的场合中表现出色。
比如在汽车制动系统中，需要对制动液压力进行快速准确的测量，电容式压力传感器就能够胜任这样的任务。
另外，电容式压力传感器还具有很高的稳定性和可靠性。
由于其结构简单、工作原理清晰，因此传感器在长期使用过程中能够保持良好的性能，不易出现故障。
这使得电容式压力传感器在工业生产中得到了广泛的应用，比如在注塑机、冲压机等设备中，都需要对压力进行实时监测，而电容式压力传感器能够稳定可靠地完成这样的任务。
此外，电容式压力传感器还具有很高的适应性。
它可以适用于各种介质的压力测量，比如液体、气体等，而且可以适应不同的工作环境，比如高温、高压等。
这使得电容式压力传感器在航空航天、石油化工等领域中得到了广泛的应用，满足了不同场合对压力测量的需求。
总的来说，电容式压力传感器具有很高的灵敏度、响应速度、稳定性和适应性，能够满足各种工业生产、汽车制造、航空航天等领域对压力测量的需求。
随着科技的不断进步，电容式压力传感器的性能还将不断提升，应用范围也将进一步扩大。
相信在未来的发展中，电容式压力传感器将会发挥更加重要的作用，为各行各业的发展做出更大的贡献。
传感器的集成化和智能化技术
传感器的集成化和智能化技术来源：开关柜无线测温 传感器是人类探知自然界的触觉，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。
在信息社会中，人们为了推动社会生产力的发展，需要用传感器来检测许多非电量信息，传感器是流程自动控制系统和信息系统的关键技术之器件，其技术水平将直接影响到自动化系统和信息系统的水平。
目前世界上的传感器的种类约有2万多种，当前传感器的发展主要体现在以下几个方面：1、传感器的体积越来越小，微传感器技术发展迅速。
随着半导体集成技术和微加工技术的发展，微型传感器得到了迅速发展。
微型传感器具有尺寸微小、功耗小、启动快、成本底、测量精度和灵敏度高、易于实现数字化和智能化等优点，且制作精确、重复性好、易于集成化，因此将广泛应用于工程、生物和航空等领域。
此外，微传感器还可以实现把传感器和测量电路集成在一起，用于恶劣环境下得测量。
例如：电容式压力传感器就是这样一种新型传感器。
这种微传感器把测量电路、参考电容和测量电容制作在一起，并且在零压时，参考电容和测量电容的值完全一样，置于同一压力场中，使参考电容的电容值不随压力的变化而变化。
2、利用新的物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理。
日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度仅次于超导量子干涉器件。
而它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单，可用于磁成像技术：抗体和抗原在电极表面相遇复合时会引起电极电位的变化，利用这一现象可以制成免疫传感器。
用这种抗体制成的免疫传感器可以对生物体内是否有这种抗原进行检查。
美国加州大学已经研制出这种传感器。
3、利用新材料。
传感器材料是传感器技术的基础，一些新型传感器随着材料科学的发展而涌现。
高分子聚合物能随周围环境的相对湿度的大小而成比例的吸收或释放水分子。
高分子的介电常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。
将高分子电介质做成电容器测定电容量的变化，即可得出相对湿度。
利用这个原理制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器。
电容式压力传感器原理
电容式压力传感器原理
电容式压力传感器的原理基于电容器的工作原理。
电容器是由两个金属板（电极）组成的，中间隔着一层绝缘材料。
当电容器没有受到外力时，两个金属板之间的电场是均匀的，电容器的电容值保持不变。
当外力作用在电容式压力传感器上时，传感器会产生弯曲变形。
这样，电容器的金属板之间的距离发生变化，导致电场的均匀性被破坏。
这种变化使得电容器的电容值发生变化。
通过测量电容值的变化，我们可以获得外力的大小。
一种常见的测量方法是使用电桥电路。
通过调节电桥电路中的电阻，使得电桥平衡，即电流在各个分支中均衡流动。
当外力作用在传感器上时，电容器的电容值发生变化，导致电桥不再平衡，产生输出电压信号。
通过测量输出电压的大小，我们就可以了解外力的大小。
电容式压力传感器具有灵敏度高、响应速度快、温度稳定等优点。
它广泛应用于压力测量、工业自动化控制、汽车制造和医疗设备等领域。
电容式传感器
可见，温度误差与组成零件几何尺寸和材 料的线胀系数相关。在电容结构设计中，应尽 量减少组成环节零件的数目，另一方而应尽量 选用线胀系数小的材料。 4.3.2 温度对介电系数的影响 介质的相对介电系数一般随温度而变化，致 使电容量改变，造成测量误差。 尤其是液位或料位传感器，介电常数变化不 可忽略。
4．4．2 电容式料位计
利用电容间填充物介电系数不同于空气的原理， 可测定液体、粉状、小颗粒等的料位。 电容表示式为 1．并联谐振电路
见图4.2l，接线图如图(a)，电感L0与容器空气电容Co 4.2l (a) L Co 构成并联谐振回路。接上高频电压VE时，在f0 时，高 频电压有最多峰值。当填料后，相当于并联上电容 ∆C和电阻R。 f0 将偏谐到f。则 检测回路高频电压(或高频电 流)的变化，即可测量料位。
2、二极管双T形电路 二极管双T
电路原理如图(a)。供电电压是幅值为±UE、周期为T、 占空比为50％的方波。若将二极管理想化，则当电源为 正半周时，电路等效成典型的一阶电路，如图(b)。其中 二极管VD1导通、VD2截止，电容C1被以极其短的时间充 电、其影响可不予考虑，电容C2的电压初始值为UE。根 据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的 电流iC2如下：
在［R＋（RRL）/（R＋RL）］C2<<T/2时, 的平均值IC2可以写成下式：
T
电流iC2; 2 RL = ∫ ic 2 dt ≈ ∫ ic 2 dt = U E C2 T 0 T 0 T R + RL
1 R + 2 RL U E C1 同理，负半周时电容C1的平均电流: I C1 = T R + RL 故在负载RL上产生的电压为
VD2 VD1 iC1 + ±UE C1 R R iC2 +C (a) RL
电容式传感器的工作原理及其在压力测量中的应用
C1=ε0εrA0 从上式可以看出, 传感器的电容量 C 与角位移θ呈线性关系。
2.3 变介质型电容式传感器 因为各种介质相对介质常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电
2.电容式传感器的基本工作原理 以储存电荷为目的制成的元件称为电容器。由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平
板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量为
c A 0r A dd
平行板电容器
ε为电容极板间介质的介电常数, ε0 =8.83×10-12F／m,其中ε0 为真空介 电常数, εr 为极板间介质相对介电常数; A 为两平行板所覆盖的面积; d 为两平行板之间的距离。
近年来随着科学技术的发展,电容式传感器的缺点不断地被克服,应用也越来越广泛,尤其 是出现了数字式智能化的电容式传感器,它是一种先进的数字式测量系统。将其测量部件技 术与微处理器的计算功能结合为一体,使得测量仪表至控制仪表成为全数字化系统。数字式 智能化传感器的综合性能指标、实际测量准确度比传统的传感器提高了很多。 2011 年，美国 Consensic 公司推出革命性新型微机电（MEMS）智能电容式压力传感器 CPS120，是全世界唯一一家数字式 MEMS 电容式压力传感器的厂商。 CPS120 智能压力传感器基于系统级封装解决方案（SIP），包含超小型电容式 MEMS 绝对压 力传感单元，同时集成智能高精度数字电路（ASIC）和温度传感器。相比其他压力传感器 厂商传统的压阻式（PRT）绝对压力传感器，电容式压力传感器可以提供更高的精度、更低 的功耗、更好的稳定性和一致性、以及工作在极端温度、湿度环境下的超强能力。 除了 CPS120 以外，已有 MEMS 电容式加速度传感器、MEMS 硅膜电容式气象压力传感器 等一系列智能传感器问世。总之,随着传感器技术的发展,电容式传感器的形式将会多种多样, 其形式应以非接触式为研制重点。其发展方向是通过广泛应用微机等高新电子技术来获得全 面性能的进一步提高,同时还要向着小型化、智能化、多功能化的方向发展。 6.总结
电容式传感器
电容式传感器简介capacitive type transducer把被测的机械量，如位移、压力等转换为电容量变化的传感器。
它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。
其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器（见图）。
若忽略边缘效应，平板电容器的电容为εA/δ，式中ε为极间介质的介电常数，A为两电极互相覆盖的有效面积,δ为两电极之间的距离。
δ、A、ε三个参数中任一个的变化都将引起电容量变化，并可用于测量。
因此电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三类。
极距变化型一般用来测量微小的线位移或由于力、压力、振动等引起的极距变化(见电容式压力传感器)。
面积变化型一般用于测量角位移或较大的线位移。
介质变化型常用于物位测量和各种介质的温度、密度、湿度的测定。
70年代末以来,随着集成电路技术的发展,出现了与微型测量仪表封装在一起的电容式传感器。
这种新型的传感器能使分布电容的影响大为减小，使其固有的缺点得到克服。
电容式传感器是一种用途极广，很有发展潜力的传感器。
电容式传感器工作原理电容式传感器也常常被人们称为电容式物位计，电容式物位计的电容检测元件是根据圆筒形电容器原理进行工作的，电容器由两个绝缘的同轴圆柱极板内电极和外电极组成，在两筒之间充以介电常数为e的电解质时，两圆筒间的电容量为C=2∏eL/lnD/d，式中L为两筒相互重合部分的长度；D为外筒电极的直径；d为内筒电极的直径；e为中间介质的电介常数。
在实际测量中D、d、e是基本不变的，故测得C即可知道液位的高低，这也是电容式传感器具有使用方便，结构简单和灵敏度高，价格便宜等特点的原因之一。
电容式传感器优缺点电容器传感器的优点是结构简单,价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等。
缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等。
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二.设计与制造工艺 2.1敏感单元 敏感单元的顶视、剖面图如图一所示：敏感单元的顶视、剖面图
• •
2.2接口电路 图二显示的是整个传感器的结构示意。其中用可变电容替代了敏感单元，处理电 路部分包括四个部分：C/I转换、I/V转换、I/F转换及三相时钟产生电路
。
图三-a：C/I转换电路示意图 C/I转换原理如图三-a所示，电路由一个三相互不覆盖时钟控制，在时钟Ф 1 时 .Cx和C0被分别充电到Vg和V0，并有VgCx>V0C0。Cx为敏感单元电容，C0 为 参考电容。V0C0可以用来调整输出偏置。而Vg用于调节C/I电路增益。
•
hnology
图五：传感器版图原型
图六(a):传感器的输出频率-压力曲线
图六(b):传感器的输出直流电压-压力曲线
图七：模拟（实线）的和实测（点）的C-P曲线
图八：归一化的零偏输出温度曲线
图九：传感器的噪声分布
• 4 .结论
• 这种集成的表面微机械电容式传感器能 与标准 CMOS 工艺兼容，在 8-60Psi 范围 内有良好线性，输出为 5.0-25.0Hz/Psi, 和 10-50mv/Psi ，有好的温度特性，功耗小 于5mW。 是一种经济的、高性能的、能 批量生产的传感器。
Q=VgCx-(Vo-vt)Co I1=f((Vg-VT)Cx-(V0Vt)C0)
Fout=[f((Vg-VT)Cx-(V0-VT)C0)]/(2VcCst) 其中Vc=VH-VL; ⊿Fout=(f(Vg-VT)⊿Cx)/(2VcCst)
在时钟 Ф 2时，C0通过M1放电，同样Cx通过M2放出同样的电荷，则Cx 在Ф 2后，留下的电荷是Q=VgCx-(V0-VT)C0。其中VT为M1，M2的阈值电 压。在时钟Ф 3控制下，Cx上的残余电荷通过M3放电。如果在连续周期 的时钟控制下，M4通过镜相M3的电流，则它的平均电流为 I1=f((Vg-VT)Cx-(V0-Vt)C0) 因此I1∝Cx。 I/F转换原理如图三-b所示，它是由一个Schmitt触发器和一套充放电路 构成.Schmitt触发器由两个触发电平VH,VL，当 Cst上的电压小于VL时， Schmitt触发器输出为低电平，Fout为高电平，S6闭合，S7打开，与I1镜 相的通过Mf2的电流给Cst充电直到VH，然后Schmitt触发器翻转输出高电 平，Fout为低电平，S6打开,S7闭合。Cst通过Mf3放电，放电电流也与I1 镜相，直到Cst上的电压为VL ,这时Schmitt触发器翻转，对Cst进行 新的一轮充电、、、、、、。整个电路将进行周期翻转，通过推导Fout 输出频率为 Fout=[f((Vg-VT)Cx-(V0-VT)C0)]/(2VcCst) 其中Vc=VH-VL; ⊿Fout=(f(Vg-VT)⊿Cx)/(2VcCst) I/V转换电路即直流电压输出电路可以由I1通过一个电阻网络后滤波得 到。整个电路用PSPICE模拟并优化，同时还产生用于LVS的SPICE网表。
• 2.3版图设计 整个传感器版图用 L-EDIT 设计，设计规则是 Orbit 2.0um标准CMOS设计规则,另加上一些用于敏感单元的 特殊的设计规则。版图设计完成后，进行了 ERC ， DRC，网表提取，以及LVS，保证了版图设计正确。 • 传感器由 MOSIS 服务实现，通过设计不同的电路 单元及相应实验证明，即使额外的表面微机械加工工 艺的高温对阈值电压、薄层电阻等工艺参数影响很小， 所以他们对CMOS处理电路性能影响可以忽略。
集成传感器介绍之二 – 一种单片集成表面微机械的接触式电容压力
传感器
– A monolithically integrated surface micromachined touch mode capacitive pressure sensor
• 电容式压力传感器因其具有高的灵敏度，低温度漂移， 坚固的结构以及对环境地影响不敏感的特点。已经在 工业领域应用广泛。但是，由于其输出电容通常很小， 很容易被外部的寄生参数影响，因此需要一个好的精 心设计的外部读出电路，并且将其放在与敏感单元尽 可能近的地方。所以将他们单片集成是必要的，并必 能明显改善其性能。表面微机械加工技术的发展，使 我们能在不需要很大代价的情况下将敏感单元和外部 处理电路集成在单一硅片上成为了可能。